Warum flog Saturn V nicht direkt zum Mond?

Ich denke, Sie haben möglicherweise ein Missverständnis, das in keiner der anderen Antworten angesprochen wird.

Es ist wahr, dass die meiste Arbeit einer Rakete beim Eintritt in die Umlaufbahn darin besteht, genügend Geschwindigkeit aufzubauen, um die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen. Aber Sie müssen noch mehr Geschwindigkeit aufbauen, um es bis zum Mond zu schaffen. Tatsächlich befanden sie sich auf dem Weg zum Mond immer noch in einer Umlaufbahn um die Erde, nur in einer sehr langen, dünnen Umlaufbahn mit einem Ende in der Nähe der Erde und dem anderen Ende dort, wo der Mond tatsächlich umkreist. Wenn der Mond nicht da gewesen wäre, wären sie weiter um die Erde gekreist, schneller geworden, wenn sie sich näherten, und langsamer, wenn sie sich entfernten.

So wurde keine Arbeit verschwendet. Sie beschleunigten zunächst genug, um eine kreisförmige Umlaufbahn um die Erde aufrechtzuerhalten, und verbrachten genügend Zeit, um sicherzustellen, dass alles in Ordnung war. Dann fügten sie genug zusätzliche Geschwindigkeit hinzu, um es bis zum Mond zu schaffen. Alles auf einen Schlag hätte keinen Sprit gespart.

Ich empfehle, die anderen Antworten zu lesen, da sie die positiven Vorteile einer anfänglichen Parkbahn erklären - diese Antwort erklärt nur, warum sie nicht ineffizient ist. (Später bearbeitet, um dies hinzuzufügen.)

Um direkt zum Mond zu fliegen, wäre ein sehr kleines Startfenster erforderlich.

Die vorherige Erdumlaufbahn ermöglichte ein Startfenster von etwa 3 bis 4 Stunden, siehe diese Frage . Ein Abbruch aus einer Erdumlaufbahn war möglich, als die zweite Zündung der dritten Stufe des Saturn V fehlschlug, indem das Servicemodul-Triebwerk verwendet wurde, um einen Wiedereintritt einzuleiten.

Die Zeit im Orbit wurde genutzt, um die lange TLI-Checkliste zu vervollständigen. Wenn eine schwerwiegende Fehlfunktion festgestellt worden wäre, war ein Abbruch des TLI (Trans-Mond-Injektionsmanöver) möglich.

Es gibt sehr wenig zu gewinnen, wenn man direkt zum Mond fliegt, und wie @Uwe sagte, macht es das Timing des Starts äußerst anspruchsvoll. Lassen Sie mich versuchen zu erklären, warum es sehr wenig zu gewinnen gibt.

Der treibstoffeffizienteste Weg für eine Rakete, um von der Erde zum Mond zu gelangen, besteht im Grunde genommen darin, so nah wie möglich an der Erde zu beschleunigen, bis sie sich mit der erforderlichen Geschwindigkeit (die etwa 40% schneller als die Umlaufgeschwindigkeit ist) von der Erde weg und auf sie zu bewegt der Mond. Dann rollt es aus und wird allmählich durch die Erdanziehungskraft gebremst, bis es gerade den Punkt erreicht, an dem die Anziehungskraft des Mondes stark genug ist, um es den Rest des Weges zu ziehen. Indem es den Mond leicht verfehlt und sich mit Raketen etwas verlangsamt, kann es in eine Umlaufbahn um den Mond eintreten. Dies ist auf den sogenannten Oberth-Effekt zurückzuführen, der auf dieser Website häufig diskutiert wird.

Nun mag es offensichtlich erscheinen, einen Moment auszuwählen, in dem der Mond mehr oder weniger gerade über dem Kopf steht, und nach oben zu beschleunigen, aber wie @Machavity sagt, ignoriert dies das nützliche bisschen zusätzlicher Geschwindigkeit, das Sie durch die Erdrotation erhalten können, was bedeutet, dass es tatsächlich besser ist den größten Teil der Beschleunigung horizontal von West nach Ost durchführen (auch gut, um so nah wie möglich am Äquator zu beginnen). Sobald Sie das tun, wird es einen Moment geben, in dem Sie sich mit Orbitalgeschwindigkeit bewegen. Wenn Sie also an diesem Punkt einfach Ihre Rakete ausschalten, befinden Sie sich im Low Earth Orbit. Dann warten Sie, bis Ihre Orbitalgeschwindigkeit mehr oder weniger auf den Mond zeigt (eigentlich dort, wo er in ein paar Tagen sein wird), schalten Sie den Motor wieder ein und beenden Sie Ihre Beschleunigung.

Diese Frage scheint von einem grundlegenden Missverständnis über den Weltraum abzuhängen, das, um fair zu sein, in der breiten Öffentlichkeit sehr verbreitet ist. Es ist die Idee, dass der Weltraum keine Schwerkraft hat, also sind die Dinge im Weltraum schwerelos.

"Aber warte!" du sagst. „Ich habe Videos von Astronauten im Weltraum gesehen, und sie erscheinen mir wirklich schwerelos.“ Und Sie haben Recht, sie scheinen schwerelos zu sein ... aber sie sind es nicht. Sie befinden sich in einem Zustand, der als „freier Fall“ bekannt ist.

Nun bedeutet „freier Fall“ als Fachbegriff, dass auf das Objekt keine anderen Kräfte als die Schwerkraft einwirken. Wenn Sie also eine Waffe direkt nach oben schießen, befindet sie sich von dem Moment an, in dem sie den Lauf verlässt, bis zu dem Moment, in dem sie auf dem Boden auftrifft (ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands), im freien Fall, obwohl sie im umgangssprachlichen Sinne nur für die Hälfte "fällt". von damals. Dinge im freien Fall erscheinen anderen Dingen, die sich ebenfalls im freien Fall befinden, schwerelos, so können Astronauten um ein Raumschiff herum schweben. Tatsächlich ist bewiesen, dass man in einem gleichförmigen* Gravitationsfeld keinen Unterschied zwischen tatsächlicher Schwerelosigkeit und freiem Fall feststellen kann.

Wenn Sie also versuchen, direkt von der Erde aufzusteigen, kämpfen Sie die ganze Zeit gegen die Schwerkraft. Wenn Sie sich jedoch nach vorne neigen und horizontal schieben, können Sie Ihre Geschwindigkeit aufbauen, ohne gegen die Schwerkraft ankämpfen zu müssen, was Zwischenparkbahnen viel effizienter macht als direkte Aufstiege**, noch bevor Sie Dinge wie den Oberth-Effekt berücksichtigen .

Sie haben erwähnt, dass sie etwa 28.000 km/h erreichen müssten, um in eine stabile Umlaufbahn zu gelangen, was bedeutet, dass ein direkter Aufstieg langsamer wäre. Das stimmt aber nicht. Ja, sie mussten so schnell in die Umlaufbahn fliegen, aber dann mussten sie noch mehr beschleunigen (um etwa weitere 6.000 km/h), um schnell genug zu sein, um nicht auf die Erde zurückzufallen, und selbst dann flogen sie nur in die Nähe von 3.000 - 5.000 km/h, als sie den Punkt erreichten, an dem die Schwerkraft des Mondes größer wurde als die der Erde, und sie begannen wieder zu beschleunigen. Das ist die gleiche Geschwindigkeit, die ein direkter Aufstieg erreichen müsste, allerdings ohne den erwähnten Effizienzschub.

Bitte beachten Sie, dass ich kein Physiker bin, also erkläre ich das wahrscheinlich nicht sehr gut. Ich benutze "Schwerkraft bekämpfen" im umgangssprachlichen Sinne. Grundsätzlich zieht Sie die Schwerkraft immer nach unten, sodass jeder Kraftstoff, den Sie zum Aufsteigen verwenden, der Schwerkraft entgegenwirkt. Stellen Sie sich als Extremfall eine Rakete mit einem Gesamtgewicht von 100 kg vor, deren Triebwerk 981 N Schub erzeugt. Wenn es gerade nach oben gerichtet ist, wird der Schub durch sein Gewicht perfekt ausbalanciert (wobei die Massenreduzierung aufgrund der Kraftstoffverbrennung ignoriert wird), sodass es seinen gesamten Kraftstoff verschwendet, der an einem Ort schwebt und absolut nirgendwo hingeht. Wenn Sie ihn jedoch auf die Seite legen, beschleunigt er plötzlich schneller als ein Ferrari und beschleunigt in 2,8 Sekunden von 0 auf 100 km/h (60 mph).

Dasselbe passiert im Weltraum. Jeder vertikale Schub (z. B. radial nach außen (vom Planeten weg) oderradial nach innen (in Richtung des Planeten)) muss sowohl die Trägheit als auch die Schwerkraft des Raumfahrzeugs überwinden, während der horizontale Schub (prograd (vorwärts), retrograd (rückwärts), normal (links) oder antinormal (rechts)) nur mit dem zu kämpfen hat Trägheit des Raumfahrzeugs und ist somit effizienter. Sie können dies während eines Starts sehen: Raketen müssen für kurze Zeit radial stoßen, um sie über den dicksten Teil der Atmosphäre zu bringen, aber dann kippen sie in eine horizontale Position, sobald sie vernünftigerweise können, um zu vermeiden, dass mehr Treibstoff verbrannt wird dann müssen sie. Niedrige Erdumlaufbahnen liegen in der Größenordnung von etwa 7,5 km/s, aber Raumfahrzeuge, die von der Oberfläche gestartet werden, haben typischerweise eine Delta-V-Fähigkeit von 8 bis 8,5 km/s, wobei dieses zusätzliche Delta-V während der kurzen vertikalen Aufstiegsphase durch die Schwerkraft verloren geht .

Während der Planungsphase des Apollo-Programms wurde der direkte Aufstieg als eine mögliche Startstrategie in Betracht gezogen. Der Vorteil war, dass es ein viel einfacherer Plan wäre, als sich Gedanken über einen Orbit zu machen, und sie befanden sich in einer großen Zeitkrise. Einer der Gründe, warum es zurückgestellt wurde, war, dass sie keine Anlage hatten, die groß genug war, um die enorme Rakete zu bauen, die ein solcher Plan erfordern würde.

*Beachten Sie, dass das Gravitationsfeld der Erde nicht genau gleichförmig ist. Daher spüren Astronauten ein sehr kleines bisschen Schwerkraft, die sich in Stärke und Richtung ändert, je nachdem, wo sie sich im Schiff befinden. Aus diesem Grund spricht die offizielle NASA-Literatur eher von "Mikrogravitation" als von "Schwerelosigkeit".

** Okay, technisch gesehen müssen Sie nicht wirklich umkreisen, um den Effizienzschub zu erhalten. Hier ist der horizontale Schub wichtig. So können Sie horizontal von suborbitaler Geschwindigkeit bis zur Fluchtgeschwindigkeit stoßen, ohne jemals eine offizielle "Umlaufbahn" zu erreichen. Aber auf halbem Weg anzuhalten, um zu überprüfen, ob alles funktioniert und ob Sie für die nächste Motorzündung richtig ausgerichtet sind, ist nur gute Technik, wie @jamesqf erwähnte.

Zusätzlich zu den physikalischen Gründen gibt es einen praktischen technischen Grund: Sie können die Zeit in der Erdumlaufbahn nutzen, um Ihre Raumfahrzeugsysteme zu überprüfen, um festzustellen, ob sie durch die Belastungen des Starts beschädigt wurden. Wenn ja, können Sie schnell abbrechen und zur Erde zurückkehren. Ebenso bei der Mondumlaufbahn: Sie können das LM überprüfen, bevor Sie sich zu einer Abstiegsverbrennung verpflichten, und bei einem Problem erneut an das CM andocken.

Das INS, das interne Navigationssystem der damaligen Zeit, reagierte empfindlich auf Vibrationen, und die erste Stufe der Saturn-Fünf rollte wahrscheinlich alle bis auf die ICBM-Kreisel der Marine in der ersten Stufe. Die ersten beiden Stufen nicht viel mehr als eine Sammlung gut getesteter ICBM-Teile aus der Ära 1959-1962.

Es ist gut dokumentiert, dass TLA-Verbrennungen sowohl von bodengestützten IBM-Mainframes als auch vom legendären Computer Apollo Command Module (CM) ermittelt und gegengeprüft wurden. Es gab einen Kalibrierungsschritt der Beschleunigungsmesser, die Ausrichtung der CM-Referenzebene mit hohen Athmit-Winkeln zwischen Bodenstationen und dem RCS-System, die in der Erdumlaufbahn durchgeführt werden sollte, da dies der automatisierte, unabhängige Weg nach Hause wäre, falls die Funkkommunikation wegfiel . Es gibt 80 weitere Gründe für einen Check-out in der Erdumlaufbahn, einschließlich der Anpassung der Crew an die Schwerelosigkeit.

Könnten sie es mit einem Kippschalter, einer Armbanduhr, einigen auf das Fenster geätzten Gittern und manuellen Steuerungen der Servicemodule Gimbals und RCS bis zur Mondumlaufbahn schaffen? Sogar der Orbitalrechner, Buzz, sagt NEIN ... den CQ-Offset zu finden, war einfach unmöglich. Die NASA packte 2 zusätzliche 300 Pfund Computer und Kreisel und 1-fach übergroße LM-Raketentriebwerke, um dies zu vermeiden.

Wenn einer der Ausrichtungssextanten durch eine seltsame Ausgasung getrübt würde, gäbe es kein Verlassen der Erdumlaufbahn, keine Möglichkeit, die Plattform für die Verbrennungen der Mondumlaufbahn auszurichten, wo alle Verfolgungsstellen in die gleichen 3 Grad zeigen. Wenn das CM mit der Rate eines Basketballs, der in 3 Tagen platt wird, durchgesickert ist, hat es keinen Sinn, zu gehen. Wenn der LEM-Computer oder die Kommunikation kaputt waren, musste kaum der Orbit verlassen werden. Wenn die Echtzeituhren nicht nach Vereinbarung eingestellt werden konnten, kein Monddocken nach einer Landung. Wenn eine der Brennstoffzellen kaputt ging, war die Mission vorbei.

In der Erdumlaufbahn bringt fast jedes Funkgerät, das als retrograde Verbrennung bezeichnet wird und Astronauten den Erdhorizont sehen, Ihre Besatzung in 3 bis 12 Stunden auf das Deck eines Flugzeugträgers.

Einige wichtige Punkte, die es zu beachten gilt:

• Je länger Sie gegen die Schwerkraft Schub ausüben, desto mehr Kraftstoff benötigen Sie.
• Eine Umlaufbahn ist eine Umlaufbahn; erdnahe Umlaufbahnen, der Weg des Mondes um die Erde (oder genauer gesagt, das Erd-Mond-Schwerzentrum) und sogar Erde-Mond- oder Mond-Erde-Transfers sind allesamt Umlaufbahnen und wohl alle Erdumlaufbahnen. Der Erde-Mond-Transfer ist ein Sonderfall, da der zweckmäßigste Erde-Mond-Transfer eine Erdflucht, aber immer noch eine Sonnenumlaufbahn ist.
• Je höher Ihre Umlaufbahnhöhe ist, desto mehr Umlaufbahnenergie haben Sie, obwohl sowohl die Winkel- als auch die Tangentialgeschwindigkeit geringer sind. Daher hat der Mond trotz seiner einmonatigen Periode (er bewegt sich mit etwa 2.300 Meilen pro Stunde um die Erde) mehr Orbitalenergie pro Masseneinheit als ein Satellit, der mit 17.000 Meilen pro Stunde um die Erde rast.

Das bedeutet, dass eine Rakete, um den Mond zu erreichen, mehr kinetische Energie aufbringen muss, als sie braucht, um eine erdnahe Umlaufbahn zu erreichen. Es bedeutet auch, dass Sie so schnell wie möglich die Umlaufgeschwindigkeit erreichen, um den dafür erforderlichen Treibstoff zu minimieren.

Das Flugprofil von der Erde zum Mond ist somit eine Optimierung, die eine Reihe von Faktoren abwägt.

• Steigen Sie über die Atmosphäre (oder einen guten Teil davon), bevor Sie zu viel Geschwindigkeit aufbauen, um Luftwiderstand und Erwärmung zu vermeiden. Wenn Sie in dicker Luft zu schnell fahren, verschwenden Sie Energie beim Schleppen und riskieren, Teile des Raumfahrzeugs zu überhitzen.
• Erreiche so schnell wie möglich die Orbitalgeschwindigkeit, angesichts der Einschränkungen der Strukturen und der menschlichen Toleranz gegenüber G-Kräften. Mehr g bedeutet, dass Sie stärker bauen müssen, was das Gewicht erhöht, und Ihre menschlichen Insassen werden leiden.
• Sobald Sie sich mindestens in einer niedrigen Erdumlaufbahn befinden, können Sie sich mehr Zeit nehmen, und Sie müssen nicht auf die g's stapeln, um weiter zu gehen. Ein kleineres Triebwerk erledigt die Arbeit, es dauert nur länger.
• Um aus einer erdnahen Umlaufbahn zum Mond zu gelangen, müssen Sie mindestens beschleunigen, bis Sie eine elliptische Umlaufbahn erreichen, deren Apogäum ziemlich genau in der Umlaufbahn des Mondes von der Erde entfernt ist. Es ist nicht genau das (ich kenne die Mathematik / Physik nicht, um es genau zu berechnen), aber die in LEO-Höhe erforderliche Geschwindigkeit wird etwas über einer kreisförmigen LEO-Geschwindigkeit liegen. Mit anderen Worten, Sie müssen Ihre LEO-Geschwindigkeit um mehrere tausend Meilen pro Stunde erhöhen.

Zusammenfassen:

Das Erreichen der LEO-Geschwindigkeit ist keine vergeudete Anstrengung; es ist:

• Ein notwendiger Schritt auf dem Weg (du musst noch schneller gehen)
• Eine Optimierung (minimiert den Kraftstoffverbrauch)
• Eine Gelegenheit zu überprüfen, ob alles in Ordnung ist, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren.